苑卫军，刘志明，张福亮

（唐山科源环保技术装备有限公司，河北  唐山 063020）

摘要：结合煤质化验数据和管式实验炉试烧实验，对霍林河褐煤在常压固定床气化工业化生产过程中，气化炉内氧化层温度、氧化层层次波动、煤气成分、焦油产率、炉出煤气温度和压力等生产数据和现象进行了系统的分析和总结，揭示了褐煤常压固定床气化的特殊性。

关键词：霍林河褐煤；常压固定床气化；氧化层；煤气；焦油；煤气温度；煤气压力

The Production Analysis and Summary of Huolin River Lignite Atmospheric Fixed-bed Gasification

Yuan Weijun   Liu Zhiming    Zhang Fuliang

(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd,  Hebei  Tangshan  063020 )

Abstract: A systematic analysis and summary has been done to show the particularity of the lignite on the atmospheric fixed-bed gasification. Combining with the coal quality test data and the tube furnace burning experiment, it analyzes and summarizes the oxidation layer temperature, the oxidation layer fluctuation, the coal gas component, the tar productivity, the coal gas output temperature and pressure, etc during the commercial process.  

Keywords: Huolin River lignite ; Atmospheric fixed-bed gasification; Oxidation layer; Coal gas; Tar; Coal gas temperature; Coal gas pressure

0.引言

我国的褐煤资源量为3194亿吨，占煤炭资源总量的5.7%，褐煤探明保有资源量为1291亿吨，占全国探明保有资源量的12.7%^【1】，其中内蒙古东部地区的褐煤储量最为丰富，约占全国褐煤保有储量的3/4，霍林河地区的褐煤在蒙东褐煤中较具代表意义，2009年霍林河褐煤的年产量达3700 万吨，目前霍林河褐煤主要作为发电燃料，部分作为工业锅炉和民用燃料，也有少量企业在进行褐煤提质的实验性生产。

褐煤的水分及灰分含量较大、热稳定性较差，但由于其气化反应活性较好，就近利用褐煤进行气化，向周边燃耗企业提供中低热值煤气，其投资及运行成本符合多数企业的利益要求。利用褐煤进行加压气化提供合成原料气已有应用先例，如云南解放军化肥厂利用开远小龙潭褐煤（粒度大于6-50mm）作为鲁奇炉气化的原料，生产的煤气供合成氨用；吉林化学工业公司化肥厂利用舒兰褐煤（0- 8mm）供温克勒气化炉生产合成气，以供制造合成氨用^【2】。但利用褐煤进行常压固定床气化提供工业燃料气的案例较少，胡永康^【3】和李琛祥^【4】分别介绍了利用小龙潭褐煤和扎赉诺尔褐煤在3АД13型煤气发生炉中进行连续气化的实验情况，但并未继续进行褐煤气化的连续工业化生产。

本文仅就内蒙古某铝业公司应用霍林河褐煤，进行常压固定床煤气发生炉工业化生产的情况进行介绍，旨在通过对生产数据的系统分析和总结，揭示褐煤常压固定床气化的特殊性，为优化操作和工程设计提供参考。

1. 霍林河褐煤常压固定床气化的工业化生产

气化生产选用霍林河古城煤矿褐煤，该煤在室内放置一段时间后，随着外在水分的蒸发煤呈片状，其特点是灰分和水分含量高，固定碳含量低，挥发份较高，热稳定性较差，气化反应活性较好，该煤煤质分析数据参见表1，其CO₂还原率（α）数据参见表2。经计算该煤的产气率约为1.2-1.5 Nm³/kg左右，考虑该煤产气率较低，密度较小，热稳定性较差等特性，同时结合煤质分析数据，工业化生产煤气站选择内径2.4m的干馏式煤气发生炉作为气化炉型，煤气炉设计产气量为1500Nm³/h，煤气站工艺流程参见图1。

表1 煤质分析数据

表2  霍林河古城褐煤气化反应活性

图1 霍林河褐煤气化工业化生产煤气站工艺流程图

2. 气化炉内氧化层

2.1 氧化层温度

氧化层温度较低，正常生产时对气化炉进行探钎操作，探火钎一般需要5-7分钟才能烧成暗红色。这主要与该褐煤的气化反应活性较强有关，文献^【5】介绍煤气发生炉内CO₂还原率一般为50-60%，由表2可知代表该煤气化反应活性的CO₂还原率α指标为50-60%时，其对应的反应温度约为900℃左右，由此并结合上述探钎状况判断，该褐煤在气化炉内气化，其火层温度约为900℃左右。

2.2 生产负荷变化对氧化层层次分布的影响

褐煤的孔隙结构复杂，具有很大的比表面积，具有很强的吸附氧气的能力；另外，褐煤的变质程度较低，其氧含量高达20-30%，且大部分以含氧官能团的形式存在，大量反应性较强的官能团使褐煤比较容易与空气中的氧发生反应，即褐煤对氧的反应比较敏感。气化炉生产负荷的变化是通过调整气化剂的供氧量来实现的，褐煤常压固定床气化过程中，气化剂供氧量的变化对氧化层层次分布的影响比其他煤种（如烟煤或无烟煤）大很多，生产负荷的变化速率稍大便会影响炉内氧化层的层次平衡。

3. 煤气与焦油

生产中发现，气化该煤的煤气热值较高，但焦油产率较低，煤气成分及热值参见表3，这些数据与烟煤气化所得数据相差较大，主要体现在H₂和CH₄含量的差异方面，气化烟煤的煤气中H₂一般为10-15%左右，CH₄一般为3-5%左右，而气化霍林河古城褐煤产生的煤气中H₂只有3.5-5%左右，而CH₄大于10%，煤气热值比烟煤气化煤气高出10-20%，焦油产率仅为气化类似挥发分烟煤的1/5左右。

表3 煤气成分及热值

煤气发生炉生产操作过程中，气化剂中只有少量水蒸汽供给（夏季气化剂饱和温度一般维持在40℃左右），当气化炉负荷较小时，甚至需要切断气化剂中水蒸气的供给。常压固定床气化过程的主要反应可以简化为如下反应（1）（2）（3），煤气中的H₂主要来源于（2）式所示的水煤气反应，由于霍林河古城煤矿褐煤的灰分含量较高，氧化层内灰分吸热较多，而且该煤的气化反应活性较强，气化炉内的反应层温度不宜控制过高（一般在900℃左右），气化该种褐煤时，气化炉氧化层中煤燃烧的放热和煤中灰分的吸热，基本可以平衡地将氧化层温度维持在900℃左右，即气化剂中不需要利用太多的水蒸气去维持氧化层的反应温度，气化剂中水蒸气供应量的减少，弱化了（2）式所示的水煤气反应，致使煤气中的H₂含量减少。

C+O₂=CO₂；△H=-409 KJ/mol          （1）

CO₂+C=2CO；△H=162KJ/mol           （2）

C+H₂O=CO+H₂；△H=119 KJ/mol        （3）

降文萍^【6】介绍煤的热解过程大致可分为三个阶段：第一阶段，室温—300℃为干燥脱气阶段，褐煤在300℃左右开始热解。第二阶段，300—600℃，这一阶段褐煤不存在胶质体形成阶段，仅发生剧烈分解，析出大量煤气和焦油，形成粉状半焦。第三阶段，600—1000℃，以缩聚反应为主，半焦变成焦炭，该阶段析出焦油量极少，产生的气体主要是H₂和CH₄。胡永康^【3】和李琛祥^【4】在一段炉中气化褐煤的实验显示，煤气的炉出温度较低，只有200-300℃左右，据此可以看出，褐煤在气化炉的干馏段内干馏的进行程度非常有限。霍林河古城褐煤在管式实验炉内的试烧气化实验也证明了这一观点，将管式实验炉内除氧化层外的煤料划分为1-6区段，区段划分如图2所示，实验炉正常产气4h后，对各区段煤料进行取样，对其水分和挥发分含量进行测定，表4为测定数据。

图2 管式气化实验炉区段取样示意图

表4 区段取样水分和挥发分测定数据

图2管式试验炉内位于氧化层上方的的区段1为还原层，由表4数据可以看出，煤料的干馏过程在管式实验炉的区段1进行完毕，水分干燥在区段2进行完毕，区段3、4、5、6内煤的水分和挥发分含量基本没有任何变化，管式试验炉内干馏段与还原层重合（即区段1），区段2为干燥段。褐煤在管式实验炉气化，由于区段2-6的温度较低（低于300℃），无法进行热解干馏，干馏段被迫下移与还原层重合，还原层温度较高，干燥后的褐煤在此热解，析出大量煤气和焦油，同时形成粉状半焦。热解产生的煤气和焦油雾滴上行，上行过程中焦油雾滴与煤层进行换热冷却，由小雾滴聚集成大雾滴，最终吸附在煤料表面下行返回至还原层和氧化层交界处，在高温条件下发生焦油裂解反应，其裂解气态产物为CO、H₂和CH₄，裂解的固态产物为焦炭^【7,8】。褐煤干馏生成的半焦和焦油裂解产生的焦炭下移，进行还原反应产生以CO和H₂为主要成分的煤气。综合以上分析，褐煤在常压固定床气化炉内产生的焦油发生了二次裂解，是其焦油产率降低和煤气中CH₄含量较高的主要原因。

4. 炉出煤气温度与压力

气化炉干馏段高度为5m，炉出煤气温度较低（一般在50-60℃左右）。这主要是因为：首先，褐煤气化反应活性较强，氧化层温度不宜控制过高（一般在900℃左右）；其次，在还原层附近进行了还原反应和焦油二次裂解反应，这两个反应均为吸热反应，致使由还原层产生的煤气温度较低；另外，褐煤水分含量较高，干燥吸热较多致使煤气在炉内降温较大。以上三方面综合导致炉出煤气温度较低。

气化炉内阻力较大，当生产负荷达到80%时，炉内阻力接近2000Pa。气化炉内褐煤在干燥段随着水分的蒸发破碎成小块，另外，由于褐煤的热稳定性较差，致使其在气化炉的氧化层和还原层接受高温加热后，爆裂成3-5mm左右碎块，由干燥段、氧化层和还原层组成了炉内阻力集中区，从而造成炉内阻力较大。

结论

（1）由于褐煤气化反应活性较强，褐煤气化无需较高的反应温度，其氧化层温度一般较低。

（2）褐煤较强的吸附氧气的能力及其大量含氧官能团的存在，使褐煤易于与空气中的氧发生反应，致使褐煤气化时气化炉氧化层层次分布受生产负荷变化影响较大。

（3）气化霍林河古城褐煤时，氧化层中煤燃烧放热和煤中灰分吸热，基本可以平衡地维持气化反应所需的氧化层温度范围，气化剂中水蒸气供应量较少，弱化了水煤气反应，致使煤气中H₂含量减少。

（4）褐煤在常压固定床气化炉内产生的焦油，在氧化层和还原层附近发生二次裂解，致使焦油产率降低，煤气中CH₄含量增高。

（5）褐煤气化时，氧化层温度较低、焦油二次裂解吸热及高水分干燥吸热等因素造成煤气出口温度较低。

（6）随着褐煤水分蒸发及其在氧化层和还原层热爆，褐煤在干燥段、还原层和氧化层的变成粒状碎块，形成阻力集中区，致使气化炉内阻力较大。

参考文献：

[1] 尹立群，我国褐煤资源及其利用前景［J］，煤炭科学技术，2004，08：12-14

[2] 尹立群，霍林河矿区褐煤的特性及其利用［J］，洁净煤技术，2004，10（3）：53-55

[3] 胡永康，关于褐煤在3АД13型煤气发生炉中的气化研究［J］，煤气与热力，1992，3：26-31

[4] 李琛祥，在通常结构煤气发生炉中气化褐煤的经验［J］，燃料学报，1959，4（2）：181-185

[5] 苑卫军；赵伟，常压固定床气化用煤灰熔融性温度指标的界定［J］，煤化工，2013，41（3）：35-38

[6] 降文萍，煤热解动力学及挥发分析出规律研究［D］，硕士学位论文，山西：太原理工大学，2004

[7] 贾永斌；张守玉；程中虎等，热解和气化过程中焦油裂解的研究［J］，煤炭转化，2000，23（4）：1-6

[8] 薛江涛；方梦祥；刘耀鑫等，热裂解和气化过程中焦油裂解的研究［J］，煤炭转化，2004，27（3）：58-63

作 者 简 介

第一作者

姓名：苑卫军（1968—），男，河北霸州，高级工程师，工程硕士，1990年本科毕业于河北理工大学机械制造专业，现从事煤炭气化方面工作，E-mail：ywj680820@sohu.com。